Kvantový plyn se dostává pod absolutní nulu
FOTOCREO Michal Bednarek/Thinkstock
Teplota v plynu se může dostat pod absolutní nulu díky zvláštnosti kvantové fyziky.
Může to znít méně pravděpodobně než zamrznutí pekla, ale fyzikové poprvé vytvořili atomární plyn s teplotou pod absolutní nulou1. Jejich technika otevírá dveře k vytvoření materiálů se zápornou Kelvinovou teplotou a nových kvantových zařízení, a dokonce by mohla pomoci vyřešit kosmologickou záhadu.
Lord Kelvin definoval v polovině 19. století absolutní teplotní stupnici tak, že nic nemůže být chladnější než absolutní nula. Fyzikové si později uvědomili, že absolutní teplota plynu souvisí s průměrnou energií jeho částic. Absolutní nula odpovídá teoretickému stavu, ve kterém částice nemají vůbec žádnou energii, a vyšší teploty odpovídají vyšším průměrným energiím.
V 50. letech 20. století si však fyzikové pracující s exotičtějšími systémy začali uvědomovat, že to není vždy pravda: Technicky lze teplotu systému odečíst z grafu, který vykresluje pravděpodobnosti výskytu jeho částic s určitými energiemi. Obvykle má většina částic průměrné nebo téměř průměrné energie a jen několik částic má vyšší energie. Teoreticky, pokud by se situace obrátila a více částic by mělo spíše vyšší než nižší energie, graf by se převrátil a znaménko teploty by se změnilo z kladné na zápornou absolutní teplotu, vysvětluje Ulrich Schneider, fyzik z Univerzity Ludwiga Maximiliana v německém Mnichově.
Peaks and valleys
Schneider a jeho kolegové dosáhli takových teplot pod nulou pomocí ultrachladného kvantového plynu složeného z atomů draslíku. Pomocí laserů a magnetických polí udržovali jednotlivé atomy v mřížkovém uspořádání. Při kladných teplotách se atomy odpuzují, takže konfigurace je stabilní. Tým pak rychle upravil magnetická pole, čímž způsobil, že se atomy spíše přitahovaly, než odpuzovaly. „Tím se atomy náhle přesunou z nejstabilnějšího stavu s nejnižší energií do stavu s nejvyšší možnou energií, a to dříve, než mohou reagovat,“ říká Schneider. „Je to jako procházet údolím a pak se okamžitě ocitnout na vrcholu hory.“
Při kladných teplotách by takové obrácení bylo nestabilní a atomy by se zhroutily dovnitř. Tým však také upravil záchytné laserové pole tak, aby bylo energeticky příznivější pro setrvání atomů v jejich poloze. Tento výsledek, popsaný dnes v časopise Science1, znamená přechod plynu z polohy těsně nad absolutní nulou do polohy několik miliardtin kelvinu pod absolutní nulou.
Wolfgang Ketterle, fyzik a nositel Nobelovy ceny z Massachusettského technologického institutu v Cambridge, který již dříve prokázal záporné absolutní teploty v magnetickém systému2, nazývá nejnovější práci „experimentální tour de force“. Exotické vysokoenergetické stavy, které je obtížné generovat v laboratoři při kladných teplotách, se stávají stabilními při záporných absolutních teplotách – „jako byste mohli postavit pyramidu na hlavu a nebát se, že se převrhne,“ poznamenává – a proto tyto techniky umožňují tyto stavy podrobně studovat. „Může to být způsob, jak v laboratoři vytvářet nové formy hmoty,“ dodává Ketterle.
Pokud by byly takové systémy sestrojeny, chovaly by se zvláštním způsobem, říká Achim Rosch, teoretický fyzik z Kolínské univerzity v Německu, který navrhl techniku použitou Schneiderem a jeho týmem3. Rosch a jeho kolegové například vypočítali, že zatímco mraky atomů by za normálních okolností byly gravitací taženy dolů, pokud je část mraku při záporné absolutní teplotě, některé atomy se budou pohybovat vzhůru, což zřejmě vzdoruje gravitaci4.
Další zvláštností plynu s teplotou pod nulou je, že napodobuje „temnou energii“, záhadnou sílu, která nutí vesmír rozpínat se stále rychleji proti přitažlivosti gravitace. Schneider poznamenává, že přitažlivé atomy v plynu, který tým vytvořil, se také chtějí zhroutit dovnitř, ale nestane se tak, protože záporná absolutní teplota je stabilizuje. „Je zajímavé, že se tato zvláštní vlastnost objevuje ve vesmíru i v laboratoři,“ říká. „Možná by se tím kosmologové měli zabývat podrobněji.“